生物化學第二章核酸化學1-結構課件

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第二章核酸化學核酸【目的與要求】§2.1核酸概述§2.2核酸的化學組成§2.3核酸的分子結構核酸【目的與要求】1、了解核酸的發(fā)展簡史及核酸對生物體的重要意義。2、了解核酸的分類，掌握兩類核酸的化學組成特點及核苷酸的結構。3、掌握DNA的一級結構及一級結構的意義；DNA雙螺旋結構模型要點；DNA雙螺旋結構模型提出對生命科學的重要意義。了解DNA雙螺旋的一些特殊的構型、與堿基組成有關的特殊結構及意義。4、了解RNA的種類，重點掌握與蛋白質(zhì)合成有關的三種RNA的功能；掌握tRNA的結構以及與該結構有關的生物學功能。§2.1核酸概述一、核酸的發(fā)現(xiàn)與早期研究

1868年，瑞士的內(nèi)科醫(yī)生FriedrichMiescher從外科醫(yī)院包扎傷口的繃帶上的膿細胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，將其稱為核素(nuclein)；后來他又從鮭魚精子中分離出類似的物質(zhì)，并指出它是由一種堿性蛋白質(zhì)與一種酸性物質(zhì)組成的，此酸性物質(zhì)即是現(xiàn)在所知的核酸(nucleicacid)?！?.1核酸概述§2.1核酸概述

1944年,OswaldAvery,ColinMacleod和MaclynMcCarty發(fā)現(xiàn)，一種有夾膜、表面光滑、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸DNA(deoxyribonucleicacid,脫氧核糖核酸)，可使另一種無夾膜，表面粗糙、不具致病性的肺炎球菌的遺傳性狀發(fā)生改變，轉變?yōu)橛袏A膜，具有致病性的肺炎球菌，且轉化率與DNA純度呈正相關，若將DNA預先用DNA酶降解，轉化就不發(fā)生。該項實驗徹底糾正了蛋白質(zhì)攜帶遺傳信息這一錯誤認識，確立了核酸是遺傳物質(zhì)的重要地位；§2.1核酸概述

DNA遺傳作用的進一步肯定來自AlfredHershey和MarthaChase對一個感染大腸桿菌的病毒的研究。即用放謝性同位素32P標記噬菌體DNA，35S標記其蛋白質(zhì)外殼，再用標記的噬菌體去感染培養(yǎng)的大腸桿菌，結果發(fā)現(xiàn)進入細菌體內(nèi)，使細菌生長、繁殖發(fā)生變化的是32P標記的DNA，而不是35S標記的蛋白質(zhì)，并且新繁殖生成的噬菌體不含35S，只含32P?！?.1核酸概述§2.1核酸概述

1953年,Watson和Crick創(chuàng)立的DNA雙螺旋結構模型，不僅闡明了DNA分子的結構特征，而且提出了DNA作為執(zhí)行生物遺傳功能的分子，從親代到子代的DNA復制(replication)過程中，遺傳信息的傳遞方式及高度保真性，為遺傳學進入分子水平奠定了基礎，成為現(xiàn)代分子生物學發(fā)展史上最為輝煌的里程碑?！?.1核酸概述

后來的研究又發(fā)現(xiàn)了另一類核酸：核糖核酸RNA(ribonucleicacid)，RNA在遺傳信息的傳遞中起著重要的作用。從此，核酸研究的進展日新月異，如今，由核酸研究而產(chǎn)生的分子生物學及其基因工程技術已滲透到醫(yī)藥學、農(nóng)業(yè)、化工等領域的各個學科，人類對生命本質(zhì)的認識進入了一個嶄新的天地?！?.1核酸概述二、核酸的種類、分布和含量

(一)種類

DNA(DeoxyribonucleicacidDNA)，脫氧核糖核酸RNA（RibonucleicacidRNA）：核糖核酸RNA主要有下幾種：1、rRNA(ribosomeRNA)，核糖體RNA，細胞中最主要的RNA，占細胞中總RNA80%左右。大腸桿菌rRNA中有三種，分別是：16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA；真核細胞rRNA中有四種，分別是：28SrRNA、18SrRNA、5.8SrRNA、5SrRNA。核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所?！?.1核酸概述§2.1核酸概述2、tRNA(transferRNA)，轉移RNA，是細胞中最小的一種RNA分子，占細胞總RNA的15%左右。是結構研究最清楚的一類RNA。在蛋白質(zhì)的生物合成中，tRNA起攜帶氨基酸的作用。

3、mRNA(messengerRNA)，信使RNA，占細胞總RNA的5%左右，含量最少，代謝活躍。mRNA在蛋白質(zhì)的生物合成中起模板作用。它將DNA的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)。另外，在細胞質(zhì)里還存在胞質(zhì)小RNA(scRNA).上述RNA存在于細胞質(zhì)，另外在細胞核里面還存在一些RNA，如核不均一RNA（hnRNA）、核內(nèi)小RNA（snRNA）、核仁小RNA、反義RNA（asRNA）等。

§2.1核酸概述三、核酸的功能1、核酸是生物體遺傳變異的物質(zhì)基礎，DNA是大多數(shù)生物體的遺傳物質(zhì)。2、RNA主要參與蛋白質(zhì)的生物合成。3、RNA的功能多樣性。主要有：參與基因表達的調(diào)控、催化作用、遺傳信息的加工、病毒RNA是遺傳信息的載體。4、核酸與分子病§2.1核酸概述§2.2核酸的分子組成一、元素組成組成核酸的元素有C、H、O、N、P等，與蛋白質(zhì)比較，其組成上有兩個特點：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量較多并且恒定，約占9～11%。因此，核酸定量測定的經(jīng)典方法，是以測定P含量來代表核酸量?！?.2核酸的分子組成§2.2核酸的分子組成二、基本結構單位——核苷酸（一）核酸的水解核酸經(jīng)水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本單位。核酸就是由很多單核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解產(chǎn)生核苷和磷酸，核苷還可再進一步水解，產(chǎn)生戊糖和含氮堿基。如下圖所示：§2.2核酸的分子組成堿基的結構式如下圖所示:§2.2核酸的分子組成§2.2核酸的分子組成§2.2核酸的分子組成嘌呤和嘧啶環(huán)中含有共軛雙鍵，對260nm左右波長的紫外光有較強的吸收。堿基的這一特性常被用來對堿基、核苷、核苷酸和核酸進行定性和定量分析.§2.2核酸的分子組成2、戊糖

核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脫氧核糖(deoxyribose)兩種，分別存在于核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸中。為了與堿基標號相區(qū)別，通常將戊糖的C原子編號都加上“′”，如C1′表示糖的第一位碳原子。核糖的結構如下：§2.2核酸的分子組成3、核苷戊糖與嘧啶或嘌呤堿以糖苷鍵連接就稱為核苷，通常是戊糖的C1′與嘧啶堿的N1或嘌呤堿的N9相連接。

§2.2核酸的分子組成4、核苷酸及其衍生物的結構（1）核苷酸的結構式如下圖§2.2核酸的分子組成（2）脫氧核苷酸的結構如下圖所示：§2.2核酸的分子組成（3）(脫氧)核苷二磷酸、(脫氧)核苷三磷酸、雙脫氧核苷酸的結構

ADP、ATP是生物體中重要的能量轉換體。ddNTP在DNA的序列測定中使用?！?.2核酸的分子組成（4）環(huán)化核苷酸cAMP、cGMP：被稱為第二信使，有放大激素的作用。（5）、輔酶：NAD+、NADP+、FAD、FMN、HSC0A是核酸的衍生物，在物質(zhì)代謝和能量代謝中起重要作用?！?.3核酸的分子結構一、DNA一級結構核酸分子中核苷酸的連接方式：3‘,5’-磷酸二酯鍵§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構(一)DNA一級結構的概念概念：構成DNA的脫氧核苷酸按照一定的排列順序，通過3’,5’-磷酸二酯鍵相連形成的線形結構?！?.3核酸的分子結構(二)真核生物基因組結構特點1.真核生物基因組DNA與蛋白質(zhì)結合形成染色體，儲存于細胞核內(nèi)，除配子細胞外，體細胞內(nèi)的基因組是雙份的(即雙倍體，diploid)，即有兩份同源的基因組。2.真核細胞基因轉錄產(chǎn)物為單順反子(monocistron)，即一個結構基因轉錄、翻譯成一個mRNA分子，一條多肽鏈?！?.3核酸的分子結構3.存在大量重復序列，即在整個DNA中有許多重復出現(xiàn)的核苷酸順序，重復序列長度可長可短，短的僅含兩個核苷酸，長的多達數(shù)百、乃至上千。重復頻率也不盡相同：（1） 高度重復序列：重復頻率可達106次，約5～100bp，這種序列G-C含量高于DNA的其它結構，因此在氯化銫密度梯度離心時，常在DNA的主峰旁顯示一個小峰，此小峰稱為衛(wèi)星峰，故將這部分DNA稱為衛(wèi)星DNA。（2） 中度重復序列：重復頻率可達103～104次，長度約100～300bp，rRNA基因、tRNA基因、組蛋白基因等，大多為中度重復序列。此外在這類重復序列中，還有一類可移動的片段，稱為逆轉座子（retroposon），它們可能在進化過程中發(fā)揮重要作用?！?.3核酸的分子結構（3） 單拷貝或低度重復序列：指在整個基因組中只出現(xiàn)一次或很少幾次的核苷酸序列。在真核細胞中，除組蛋白以外，其它所有蛋白質(zhì)都是由DNA中這種單拷貝序列決定的。這種序列大小不等，每一個順序決定一個蛋白質(zhì)的結構，稱之為結構基因。在人基因組中占約60～65%，因此所含信息量最大。§2.3核酸的分子結構4.基因組中不編碼的區(qū)域多于編碼區(qū)域。5.基因是不連續(xù)的，在真核生物結構基因的內(nèi)部存在許多不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列(interveningsequences)，稱為內(nèi)含子(intron)，編碼區(qū)則稱為外顯子(exon)。內(nèi)含子與外顯子相間排列，轉錄時一起被轉錄下來，然后RNA中的內(nèi)含子被切掉，外顯子連接在一起成為成熟的mRNA，作為指導蛋白質(zhì)合成的模板。6.基因組遠大于原核生物的基因組?！?.3核酸的分子結構（三）原核生物基因組結構特點1.基因組較小，沒有核膜包裹，且形式多樣，如病毒基因組可能是DNA，也可能是RNA，可能是單鏈的，也可能是雙鏈的，可能是閉環(huán)分子，也可能是線性分子；細菌染色體基因組則常為環(huán)狀雙鏈DNA分子，并與其中央的RNA和支架蛋白構成一致密的區(qū)域，稱為類核(nucleoid)。2.功能相關的結構基因常常串連在一起，并轉錄在同一個mRNA分子中，稱為多順反子mRNA(polycistronicmRNA)，然后再加工成各種蛋白質(zhì)的模板mRNA。§2.3核酸的分子結構3.DNA分子絕大部分用于編碼蛋白質(zhì)，不編碼部分(又稱間隔區(qū))通常包含控制基因表達的順序。例如，噬菌體ψX174中只有5%是非編碼區(qū)。4.基因重疊是病毒基因組的結構特點，即同一段DNA片段能夠編碼兩種甚至三種蛋白質(zhì)分子。5.除真核細胞病毒外，基因是連續(xù)的，即不含內(nèi)含子序列?！?.3核酸的分子結構二、DNA的二級結構

（一）DNA的堿基組成（Chargaff法則）

本世紀20年代，Levene研究了核酸的化學結構并提出四核苷酸假說；40年代末，Avery,Hershey和Chase的實驗嚴密地證實了DNA就是遺傳物質(zhì)；50年代初，Chargaff應用紫外分光光度法結合紙層析等簡單技術，對多種生物DNA作堿基定量分析，發(fā)現(xiàn)DNA堿基組成有如下規(guī)律：§2.3核酸的分子結構不同生物來源的DNA四種堿基比例關系DNA來源腺嘌呤（A）胸腺嘧啶（T）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）（A+T）/（G+C）大腸桿菌25.424.824.125.71.01小麥27.327.122.822.71.21鼠28.628.421.421.51.33豬：肝29.429.720.520.51.43胸腺30.028.920.420.7脾29.629.220.420.8酵母31.332.918.717.51.079§2.3核酸的分子結構1.同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同；2.同一種生物DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變；3.幾乎所有的DNA，無論種屬來源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同［A］=［T］，鳥嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同［G］=［C］，總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同［A］＋［G］=［C］＋［T］。4.不同生物來源的DNA堿基組成不同，表現(xiàn)在A＋T/G＋C比值的不同。這些結果后來為DNA的雙螺旋結構模型提供了一個有力的佐證。DNA堿基組成規(guī)律：

§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構（二）

DNA的二級結構——雙螺旋結構Watson,Crick

（1953）在Chargaff法則及Wilkins,Franklin的X線衍射工作基礎上提出DNA的雙螺旋（doublehelix）結構模型：

(1)DNA雙螺旋中的兩股鏈走向是反平行的，一股鏈是5′→3′走向，另一股鏈是3′→5′走向。兩股DNA鏈圍繞一假想的共同軸心形成一右手螺旋結構，雙螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2.0nm。表面形成一條大溝，一條小溝。

大溝與小溝是蛋白質(zhì)識別DNA的堿基序列，與其發(fā)生作用的基礎。

§2.3核酸的分子結構(2)鏈的骨架(backbone)由交替出現(xiàn)的親水的脫氧核糖基和磷酸基構成，位于雙螺旋的外側。堿基位于雙螺旋的內(nèi)側，兩股鏈中的嘌呤和嘧啶堿基以其疏水的、近于平面的環(huán)形結構彼此密切相近，平面與雙螺旋的長軸相垂直。(3)一股鏈中的嘌呤堿基與另一股鏈中位于同一平面的嘧啶堿基之間以氫鏈相連，稱為堿基互補配對或堿基配對(basepairing)，堿基對層間的距離為0.34nm。堿基互補配對總是出現(xiàn)于A與T之間(A=T)，形成兩個氫鍵；或者出現(xiàn)于G與C之間(G=C)，形成三個氫鍵?！?.3核酸的分子結構DNA的雙螺旋結構如圖所示:§2.3核酸的分子結構堿基配對的結構如圖所示:§2.3核酸的分子結構DNA結構雙螺旋結構的提出，被認為是本世紀生命科學史最重要的貢獻之一，同時也是自然科學史上的重大貢獻。它直接解釋了生物遺傳信息的傳遞與表達的規(guī)律，使生命科學從此進入一個嶄新的時代即分子生物學時代?！?.3核酸的分子結構(三)DNA二級結構的多態(tài)性所謂DNA二級結構的多態(tài)性，是指DNA不僅具有多種形式的雙螺旋結構，而且還能形成三鏈、四鏈結構，說明DNA的結構是動態(tài)的，而不是靜態(tài)的。核酸的構型的多樣性是由于核酸主干鏈上各鍵和堿基的旋轉造成的，而多鏈的DNA是特定的堿基序列導致的結果。§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構1.DNA雙螺旋的不同構型：(1)B-DNA螺旋：標準的

Watson,Crick雙螺旋，細胞正常狀態(tài)下DNA存在的構型。(2)A-DNA螺旋：DNA在75%相對濕度的鈉鹽中的構型。(3)C-DNA螺旋：DNA在66%相對濕度的鋰鹽中的構型。(4)Z-DNA螺旋：左手的DNA螺旋，這種螺旋可能在基因表達或遺傳重組中起作用?！?.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構雙螺旋堿基傾角／（°）堿基夾角（°）堿基間距/nm螺距／nm每輪堿基數(shù)

大溝

小溝B-DNA036.00.343.610.5很寬、較深窄、深Z-DNA9-60.00.384.5612平坦較窄、很深A-DAN2032.70.2562.811很窄、很深很寬、淺C-DNA6380.3313.19.3較寬、較深很窄、很深§2.3核酸的分子結構⒉與DNA堿基順序相關的特殊二級結構:(1)回文序列所謂回文序列就是指DNA某一片段旋轉180。后,順序不變的序列，回文序列中的單鏈可形成發(fā)夾結構。雙鏈可形成十字架結構。這種發(fā)夾結構或十字架結構在大腸桿菌細胞DNA中已有發(fā)現(xiàn).§2.3核酸的分子結構核酸分子中的回文序列§2.3核酸的分子結構回文序列中的單鏈可形成發(fā)卡結構§2.3核酸的分子結構雙鏈回文序列可形成十字架結構§2.3核酸的分子結構（2）鏡象結構所謂鏡象結構就是指DNA某一片段在一條鏈上出現(xiàn)顛倒重復的序列?！?.3核酸的分子結構多嘌呤-多嘧啶的鏡象序列可形成三螺旋結構(H-螺旋或Hoogsteen螺旋):該螺旋常處在許多真核細胞基因的表達調(diào)節(jié)區(qū)?？赡芘c基因表達的調(diào)節(jié)有關.§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構2、四鏈DNA：可能存在于真核細胞染色體的端粒中?！?.3核酸的分子結構

穩(wěn)定DNA二級結構的作用力：氫鍵（橫向作用力）堿基堆積力（縱向作用力）§2.3核酸的分子結構

三、

DNA的三級結構和真核細胞

DNA的組裝(一)DNA的三級結構:超螺旋雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞則形成其三級結構，超螺旋是DNA三級結構的主要形式。自從1965年Vinograd等人發(fā)現(xiàn)多瘤病毒的環(huán)形DNA的超螺旋以來，現(xiàn)已知道絕大多數(shù)原核生物都是共價封閉環(huán)(covalentlyclosedcircle,CCC)分子，這種雙螺旋環(huán)狀分子再度螺旋化成為超螺旋結構(superhelix或supercoil)?！?.3核酸的分子結構有些單鏈環(huán)形染色體(如φ×174)或雙鏈線形染色體(如噬菌體入)，在其生活周期的某一階段，也必將其染色體變?yōu)槌菪问?。對于真核生物來說，雖然其染色體多為線形分子但其DNA均與蛋白質(zhì)相結合，兩個結合點之間的DNA形成一個突環(huán)(loop)結構，類似于CCC分子，同樣具有超螺旋形式。超螺旋按其方向分為正超螺旋和負超螺旋兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結構時，存在著負超螺旋。研究發(fā)現(xiàn)，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構酶產(chǎn)生的?！?.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構(二)真核細胞染色體的組裝

染色體的基本結構單位是核小體。核小體是由DNA和組蛋白組成的。組蛋白有五種，H2A,H2B,H3,H4各兩分子構成一個八聚體，其外再由雙螺旋DNA繞其旋轉1.75圈(為DNA的三級結構)，約含140bp。稱為核小體的核心顆粒(coreparticle)。兩個核心顆粒之間由一段雙螺旋DNA鏈(約60bp)相連，稱為連接部。組蛋白H1結合在此部位。若干個核小體再螺旋形成核小體纖維，再進一步螺旋化形成染色體。從雙螺旋DNA到染色體，DNA總共壓縮了約8000～10000倍.§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構核小體結構如圖所示:§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構§2.3核酸的分子結構染色體組裝的層次如下圖所示：§2.3核酸的分子結構

四、RNA的分子結構

(一)RNA的一級結構：組成RNA的核苷酸按特定序列通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接的線性結構。

對于RNA的一級結構，研究最多的是tRNA。tRNA的5，-末端總是磷酸化，而且常是pG

；3，-末端最后三個氨基酸順序相同，總是CCAOH；tRNA中含有較多的稀有堿基，每分子含7～15個，稀有堿基中最常見的是甲基化的堿基?！?/p>